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铝电解电容器参数特点与选型关注要点

放大字体  缩小字体 发布日期:2013-05-31  浏览次数:678
核心提示:本文以引线式铝电解电容器为例,较系统的说明了在电解电容选型过程中需要考虑的几个要点以及需要了解的一些知识点。如:选型原则、电解电容结构特点、制造工艺、主要参数特点、频率及温度特性、封装、热阻系数表等等。

1、铝电解电容选型主要考虑哪些要素
作为储能元件。因此,电解电容的选型要关注以下特性:
    容量,耐压,温度范围,元件封装形式与尺寸;
    纹波电流、纹波电压;
    漏电流、ESR、散逸因数、阻抗/频率特性;
    电容寿命;
    实际需要、性能和成本等综合考量。
2、电解电容选型参数选型规则
     电压参数选型规则:
实际电路工作电压乘以1.5倍,在此基础上向上选取最近一个通用电压。例如:电路为5V,则降额后需要耐压7.5V,最终选择额定电压10V。
     温度参数选型规则:
温度范围选型需要依据产品热设计及使用环境确定;对于室内产品,温度范围可以在-25℃~105℃,对于室外产品,推荐-40℃~105℃必要时选用125℃。
3、铝电解电容的特点

3.1铝电解电容器的卷绕结构及简图

    电解电容包含两个导电电极,中间有绝缘层隔开。一个电极(阳极)由扩大了表面积的铝箔形成。铝氧化层(AL2O3)在其表面形成绝缘层。与其它电容相比,铝电解电容的负极(阴极)是导电液体,称作电解液。另外一个铝箔,是所谓的阴极箔,其有更大的表面积,以传递电流到电解液。电容的阳极是极纯的铝箔,其有效表面被极大地增大(比例可以到200倍),增大方式是一个电化学腐蚀过程,这样可以使电容到最大容量。化学腐蚀的方式以及程度过程不同,决定于其不同要求。
     铝电解电容器的主要生产原材料为:阳极箔、阴极箔、电解纸、电解液、导箔、胶带、盖板、铝壳、套管、垫片等,其生产工序主要有:切割、卷绕、含浸、装配、老化、封口、印刷、套管、测量、包装、检验等,以下为其主要生产工艺图:

电解电容的结构和原理决定了其有一下特点:
优点:容量大、耐压高 、价格便宜 ;
缺点:漏电流大 、误差大 、稳定性差 、寿命随温度的升高下降很快。
  数字电路中使用的铝质电解电容一般用于电源平滑滤波,除容量、耐压、容量误差、工作温度、封装尺寸等熟知的参数外,还有几个有关电容器品质的重要参数,包括损耗角正切、漏电流、等效串联电阻ESR、允许的纹波电流、使用寿命等。这些参数不标在成品封装外皮上,只在产品规格书中体现的,但这些参数有可能是关系电路性能的关键。 


4、 主要参数及其特点

 4.1 额定电压VR
     电容设计时的设计直流电压。对于铝电解电容,额定电压≤100 V通常叫做低压电容,而额定电压>100 V 称作(中)高压电容,常用的额定电压有6.3V,10V,16V,25V,50V,63V,100V,250V,400V,450V,500V,630V等。
      电解电容额定电压选型规则为:实际电路工作电压乘以1.5倍,在此基础上向上选取最近一个通用电压。例如:电路为5V,则降额后需要耐压7.5V,最终选择额定电压10V。
     对于额定电压替代,通用原则是高额定电压替代低额定电压。但不建议在相差两个以上等级的额定电压间替代,即不建议用50V替代16V,推荐用25V替代16V。
4.2 工作电压VOP
    电容可以在额定电压(包含一些叠加成份)下额定工作范围内连续工作。允许的连续工作电压范围为0V到额定电压之间。在很短时间内,因阴极铝箔上有一层空气氧化层,电容可以承受不超过1.5 V 的反向电压。
4.3 浪涌电压VS
     浪涌电压是短时间内可以加在电容上的最大电压,比如一小时内5次,每次一分钟。IEC 60384-4定义浪涌电压如下: 如果 VR ≤ 315 V,VS = 1.15VR,如果VR > 315 V,VS = 1.10VR。
     对于浪涌电压选型,优选浪涌电压承受能力强的电解电容。
4.4 额定容量CR
     额定容量是电容设计和标示的交流电容值。CR是由(IEC 60384-1 and IEC 60384-4)规定的特殊标准来测得的,对于电解电容一般测试条件为2倍工频(100HZ或120HZ),室温。另外,容量误差是电容实际容量离开额定容量分布范围,一般会标志在本体上,对于铝电解基本上标记为M(±20%)。
      电解电容额定容量选型原则需要依据实际电路对容量需求而选型,在标准的计算容量下降额。。。
对于额定容量替代,通用原则是高容量替代低容量。推荐使用标准容量相近的替代,如某系列有220uF、330uF、470uF,则推荐的替代是470uF替代330uF、330uF替代220uF,而不建议470uF替代220uF。
4.5 使用温度范围
      即电容器能够稳定工作的温度范围,目前常见的低温极限值大致有-55℃,-40℃,-25℃几种,高温极限值大致有85℃,105℃,125℃,130℃等几种。
温度范围选型需要依据产品热设计及使用环境确定。对于室内产品,温度范围可以在-25℃~105℃,对于室外产品,推荐-40℃~105℃必要时选用125℃。
      对于温度范围替代,使用宽温度范围替代窄温度范围。对于低温的替代可以降低替代标准,无特殊要求,则按照-40℃为标准。
4.6 耗散因数tanδ
      耗散因数是等效串联电阻与等效串联线路里(如图3)容性电抗成分的比值,或者是在正弦电压下有功功率(耗散功率)与无功功率的比值。电解电容的等效电路如下图:

  耗散因数越高,对应的电容设计越好。因此,优选耗散因数高的电容。

4.7 等效串联电感ESL
自身电感或者称等效串联电感来源于接线端子及电容内部设计
等效串联电感越低,对应的电容设计越好。因此,优选等效串联电感低的电容。
4.8 等效串联电阻ESR
     等效串联电阻是指等效串联线路的阻性成分。ESR值与频率,温度有关,而且与耗散因数有关,公式如下

等效串联电阻越低,对应的电容设计越好。因此,优选等效串联电阻低的电容。
4.9 阻抗Z
     阻抗是指等效串联线路的总的电抗值。它主要包括:容量CS的容性电抗部分;电解液及接线端子的介电损失及欧姆阻抗ESR部分;由电容绕制及接线端子产生的感性电抗ESL部分。ESL只取决于频率,而容性电抗和阻性电抗则取决于频率及温度。
    等效串联电阻越低,对应的电容设计越好。因此,优选等效串联电阻低的电容。
4.10 漏电流Ileak
     由于铝电解电容的特殊特性,其铝氧化层也充当绝缘层,在直流电压施加很长时间后,还有一个小电流会继续流过电容。这个电流叫做漏电流。漏电流小意味着电容的绝缘层设计的很好。
漏电流越小,对应的电容设计越好。因此,优选漏电流小的电容。
4.3.11 纹波电流
     用rms值来标示流过设备的交流电流,其原因是跳动及浪涌电压。最大允许纹波电流决定于环境温度、电容表面积(散热区域)、耗散因数以及交流频率等。
由于热应力对电容寿命有决定性作用,由纹波电流产生的热量就是影响使用寿命的重要因数。因此,在选型时优选承受纹波电流能力较强的电容。
4.12 使用寿命
     使用寿命(也定义为服务寿命及操作寿命)定义为电容不超过指定失效率的可以达到的寿命。使用寿命是应用使用经验以及加速老化试验来得到的。如果负载低于额定值,使用寿命可以得到延长(比如低的工作电压,电流及环境温度),适当的散热措施也可以延长使用寿命。附件中提供了使用寿命计算方法。
对于使用寿命的选型,优选长寿命电解电容。常规选用4000~5000h,对于高端选用10000h以上。
4.13 其他
    除了上述的电性参数外,电解电容还有存储温度、气候条件、温湿循环、引线强度、可焊性等可靠性项目。


5、电容的频率及温度特性

5.1容量温度特性
    温度对电解电容的容量有较大影响,温度降低时,电容粘性增加,这会降低导电性。其典型特性如下图。
电解电容的容值随着温度的降低而降低。电解电容容量-温度特性曲线如下图所示:

  铝电解电容温度特性曲线

 5.2 容量频率特性

     电解电容的容量随着测试频率的升高而降低。电解电容容量-频率特性曲线如下图所示:
 电解电容频率特性曲线

5.3耗散因数与频率温度特性
    电解电容的耗散因数在同频率下随着温度的降低而升高;在同温度下随着频率的升高而升高。耗散因数与频率温度特性曲线如下图所示:

   耗散因数与频率温度特性

5.4阻抗Z的频率温度特性

    阻抗Z的频率温度特性曲线如下图所示:

  阻抗Z的频率温度特性

由上可见,低频时容性电抗起支配作用,随着频率的增加,容性电抗(XC =1/ωCS)逐渐减小直至达到电解液阻抗的数量级;频率更高时,如果温度不变,电解液的阻抗起主要作用;当到达电容共振频率时,容性及感性电抗相互抵消,超过这个频率时,电容绕制及端子(XL=ωL)的感性阻抗开始起作用导致阻抗增加。电解液的阻抗随着温度的降低大大增加。

5.5漏电流大小与时间及温度特性

   漏电流大小与时间特性曲线如下图所示:

 漏电流特性曲线

    漏电流大小与温度特性曲线如下图所示:

     漏电流与温度特性曲线


      漏电流随时间的变化曲线,电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。然而,由于铝氧化膜介质上浸有电解液,在施加电压时,重新形成以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流。在给电容上电前几分钟内有一个很大的漏电流(冲击电流,冲击电流包括位移电流和吸收电流,其中位移电流随着时间迅速衰减,而吸收电流比位移电流衰减慢的多,可能延续数分钟)流过,在特殊情况下甚至在没有直流电压后还要一个延时。在连续工作下,这个漏电流会减小直至恒定值成为所谓稳态值(这部分电流是由介质的电导引起的,其大小决定于电介质在直流电场中的导电率,是一个恒定的电流,所以可以认为它是纯阻性电流,也即我们常讲的电容的漏电流)。越小的漏电流表明电介质制作得越精良。通常,漏电流会随着温度和电压的升高而增大。漏电流的温度特性图所示,一般地随着温度的升高漏电流将会变得越来越大。
5.6 纹波电流的频率与温度特性
     铝电解电容的耗散因数在固定电压下随频率不同而不同。所以,纹波电流也是频率的函数。在单独的电容规格书里,电容的纹波电流能力是指:在100Hz或者120 Hz条件下或者在一些个例10kHZ或者100kHZ下的纹波电流能力。对其它频率下的转换因数以图表的形式给出。随着频率的增大,其纹波电流增大。
在每种电容的规格书里也包括在其他温度及纹波电流下的图表。当然在低温下其纹波电流变大。

6、封装

     铝电解电容器封装按安装方式分类有以下几种:引线型、牛角型、贴片型、螺丝型等;按本体形状分类由于其结构特点决定了常用的就只有圆柱形一种。常用的为标准引线型。

铝电解电容封装

7.封装热阻比

    标准引线型的电解电容其封装的热量分布如下图所示:

                      铝电解电容热量分布图

标准引线型电解电容热阻系数如下表所示:


电解电容热阻系数

对于封装热阻比这个因素应该很少人在选型时候会考虑的,不过对一般的应用和当前的制造工艺,这个因素影响不大,如果对于比较高端的通信设备在选型是还是多注意这个因素。
 

 
 
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